termodinamica
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República Bolivariana de Venezuela
Instituto Universitario Politécnico Santiago Mariño
Escuela 45
Autora:
Marmila Muñoz
Samuel Mujica
Tutor:
Alcides Cadiz
Puerto Ordaz Noviembre 2013
LA TERMODINÁMICA EN LA
MANUFACTURA
Introducción
Las técnicas de corte de materiales han sufrido una notable evolución
hasta llegar a las máquinas de nuestros días. El desarrollo de estos procesos
ha venido marcado por algunos factores como la máquina de vapor y la
investigación.
Los primeros materiales que fueron transformados son la piedra y la
madera, luego se aplicaron los mismos procesos utilizados en la madera
para la conformación de piezas metálicas.
Una de las primeras máquinas para el corte de metal es el torno de
pértiga creado alrededor de 1250. En el siglo XV Leonardo da Vinci diseñó
un torno para roscar y en 1550 Marx Lobsinger construyó una máquina
cepilladora.
Años después se utiliza la termodinámica que es la rama de la física
que describe los estados de equilibrio a nivel macroscópico, con la cual se
logra realizar corte en materiales de madera y metal. Dependiendo de las
herramientas que se utilicen para remover el exceso de material de las
piezas fabricadas éstas logran el desprendimiento de virutas que son
fragmentos de material residual con forma de lámina curvada o espiral que
surgen del cepillado, devastado o perforación; se suele considerar un residuo
reciclable de las industrias madereras o de metal.
La termodinámica en el corte de metales, mediante el uso de
herramientas de corte, donde existe desprendimiento de viruta
El desarrollo de estos procesos ha venido marcado por factores tales
como la aparición de máquinas generadoras de energía como la máquina de
vapor, la investigación acerca de nuevos materiales para fabricar
herramientas entre otras.
Los procesos de fabricación mecanizados constituyen uno de los
métodos más comunes dentro de las actividades manufactureras. El corte de
metales es un proceso termo-mecánico, durante el cual, la generación de
calor ocurre como resultado de la deformación plástica y la fricción a través
de las interfaces herramienta-viruta y herramienta-material de trabajo.
Donde el desprendimiento de viruta es un proceso de manufactura en
el que una herramienta de corte se utiliza para remover el exceso de material
y ésta quede con la forma deseada. La acción principal de corte consiste en
aplicar deformación en corte para formar la viruta y exponer la nueva
superficie.
Tipos de Viruta
Viruta Discontinua: representa el corte de la mayoría de los
materiales frágiles tales como el hierro fundido y el latón fundido; para éstos
casos los esfuerzos que se producen delante del filo de corte de la
herramienta provocan fracturas.
Viruta Continua: representa el corte de la mayoría de los materiales
dúctiles que permiten al corte tener lugar sin fracturas, es producido por
velocidades de corte relativamente altas, grandes ángulos de ataque (entre
10° y 30°) y poca fricción entre la viruta y la cara de la herramienta. Las
virutas continuas y largas pueden ser difíciles de manejar y en consecuencia
la herramienta debe cortar con un rompeviruta y la quiebra en tramos cortos.
Viruta Continua con Protuberancias: representa el corte de
materiales dúctiles a bajas velocidades en donde existe una alta fricción
sobre la cara de la herramienta. Esta alta fricción es causa de que una
delgada capa de viruta quede cortada de la parte interior y se adhiera a la
cara de la herramienta.
Importancia de las variables de corte, calor, energía y
temperaturas presentes.
Hay diferentes tipos de herramientas de corte, en función de su uso.
Las podríamos clasificar en dos categorías
Herramientas hechas de un único material (generalmente
acero)
Herramientas con plaquetas de corte industrial.
El proceso de corte lo pdemos realizar sobre:
Metales
Madera
Plásticos
Compuestos
Cerámicos. Podemos lograr tolerancias menores de 0.001” y tolerancia
menor a 16 micropulg.
Algunos ejemplos del proceso de corte:
Torneado cilíndrico
Corte en fresadora
Taladro
Variables:
Independientes:
Material, condición y geometría de la cuchilla
Material, condición y temperatura de la pieza de trabajo.
Uso de fluidos de corte
Características de la máquina
Condiciones de corte
Dependientes:
Tipo de viruta
Fuerza y energía disipada aumento en temperaturas
Desgaste en la cuchilla
Terminado de superficie.
Mecanismos de formación de viruta
Existen dos clasificaciones básicas para los tipos de corte
Corte ortogonal
Corte oblicuo
Existen ecuaciones de potencia y energía utilizadas en el proceso
de manufactura
P= Fcv
P(hp)= P/33,000
P eléctrica= P/eficiencia
E= P/Vt
Dónde:
P= Potencia de corte
V= Velocidad de corte
Vt= Razón de remoción de metal
Se define como el volumen de material removido por unidad de tiempo.
Vt máxima= Vfh
V= Velocidad de corte
F= Avance
H= Profundidad de corte
Se puede derivar para realizar estimados particulares a cada proceso.
E= Energía específica es una propiedad del material que sirve para
estimar los límites en algunos de los perímetros del proceso de corte. Se
calcula tomando como referencia la energía para una profundidad de corte
dada. Se debe tener en cuenta el uso de tablas para diferentes materiales.
Temperaturas de corte
Casi toda la energía de corte se disipa en forma de calor; el calor
provoca altas temperaturas en la interface de la viruta y la cuchilla. La
temperatura de corte dependerá del material de fabricación de la pieza.
Material de la herramienta
Acero no aleado: es un acero con 0,5 a 1,5% de concentración de
carbono. Para temperaturas de unos 250°C pierde su dureza, por lo tanto es
inapropiado para grandes velocidades de corte y no se utiliza, salvo caso
excepcionales, para la fabricación de herramientas de turno. Estos aceros se
denominan usualmente aceros al carbono o aceros para hacer herramientas.
Acero aleado: contiene como elementos aleativos, además del carbono,
adiciones de volframio, cromo, vanadio, molibdeno y otros. Hay aceros
débilmente aleados y aceros fuertemente aleados. Tiene una elevada
resistencia al desgaste, no pierde la dureza hasta llegar a los 600°C. esta
resistencia en caliente que es debida sobre todo a un alto contenido de
volframio, hace posible el torneado con velocidades de corte elevadas. la
herramienta usualmente sólo lleva la parte cortante hecha de este material,
la parte cortante o placa va soldada a un mango de acero de las máquinas-
Metal duro: hacen posible un gran aumento de la capacidad de corte de
la herramienta. Los componentes principales de un metal duro son el
volframio y el molibdeno, además del cobalto y el carbono. Se suelda en
forma de plaquetas normalizadas sobre los mangos de la herramienta que
pueden ser de acero barato. Con temperaturas de corte 900°C aunque tienen
buenas propiedades de corte y se puede trabajar a grandes velocidades.
Con ello se reduce el tiempo de trabajo y la gran velocidad de corte ayuda a
que la pieza con la que se trabaja resulte lisa. Es necesario escoger siempre
para el trabajo de los diferentes materiales la clase de metal duro que más se
adecue.
Cerámicos: químicamente inerte, muy resistente al calor y se fija
convenientemente en soportes adecuados, son generalmente deseables en
aplicaciones de alta velocidad, se consideran impredecibles en condiciones
desfavorables. Los materiales cerámicos más comunes se basan en alúmina
(óxido de aluminio), nitruro de silicio y carburo de silicio. Se utiliza casi
exclusivamente en plaquetas de ángulos de corte. Con dureza de hasta
aproximadamente 93 HRC. Se deben evitar los cortes afilados y ángulos de
desprendimiento positivo.
Cermet: estable. Moderadamente caro. Otro material cementado basado
en carburo de titanio (TiC). El aglutinante es usualmente níquel. Proporciona
una mayor resistencia a la abrasión en comparación con carbono de
tungsten, a expensas de alguna resistencia. También es mucho más
químicamente inerte. Altísima resistencia a la abrasión. Se utiliza
principalmente en convertir los bits de las herramientas, aunque se está
investigando en la producción de otras herramientas de corte. Dureza de
hasta aproximadamente 93HRC. No se recomiendan los bordes afilados
generalmente.
Diamante:es la sustancia más dura conocida hasta ahora. Superior
resistencia a la abrasión, pero también alta afinidad química con el hierro que
da como resultado no ser apropiado para el mecanizado de acero. Se utiliza
en materiales abrasivos. Extremadamente frágil, se utiliza casi
exclusivamente para convertir los bits de la herramienta, aunque puede ser
usado como un revestimiento. El diamante es muy duro y no se desgasta.
Uso de tablas físicas y químicas asociadas a la termodinámica de
corte de metales
La química se parece a la física por el uso extenso que hace de las
matemáticas y de teorías que tuvieron su origen en la física.
La termodinámica es la rama de la física que describe los estados de
equilibrio a nivel macroscópico como temperatura, calor y energía de la
materia durante procesos y reacciones químicas. Sus objetivos principales
son: predecir la cantidad de calor que se puede obtener de una reacción
química. Predecir si una reacción química puede ocurrir espontáneamente. A
nivel microscópico utiliza la mecánica cuántica y sus aplicaciones a técnica
de espectroscopia. Se estudian y describen la estructura, el movimiento e
interacciones de átomos y moléculas durante procesos y reacciones
químicas.
A través de las tablas podemos observar:
Determinación a que grado de temperatura se pueden trabajar los
cortes de una pieza.
Si son sólidos maleables y dúctiles.
Si son buenos conductores de calor y la electricidad.
Si casi todos los óxidos metálicos son sólidos iónicos básicos.
Tienden a formar cationes en solución acuosa.
Determinan las capas externas si contienen poco electrones
habitualmente tres o menos.
Tabla Periódica
Seguridad Industria y el desprendimiento de viruta en el proceso de
Manufactura
La seguridad Industrial, es un área multidisplinaria que se encarga de
minimizar los riesgos en la industria, se ocupa de dar lineamientos generales
para el manejo de éstos.
La seguridad industrial se encarga de supervisar que:
Las virutas deben ser retiradas con regularidad, utilizando un cepillo o
brocha para las virutas secas y una escobilla de goma para las
húmedas y aceitosas.
Las herramientas deben guardarse en un armario o lugar adecuado.
No debe dejarse ninguna herramienta u objeto suelto en la máquina.
Eliminar los desperdicios, trapos sucios de aceite o grasa que puedan
arder con facilidad, acumulándolos en contenedores adecuados
(metálicos y con tapa).
Las poleas y correas de transmisión de la máquina deben estar
protegidas por cubiertas.
Conectar el equipo a tableros eléctricos que cuente con interruptor
diferencial y la puesta a tierra correspondiente.
Todas las operaciones de comprobación, medición, ajuste, etc., deben
realizarse con la máquina parada.
Se debe instalar un interruptor o dispositivo de parada de emergencia,
al alcance inmediato del operario.
Para retirar una pieza, eliminar las virutas, comprobar medidas, etc. se
debe parar la máquina.
El manejo de Herramientas y materiales
Durante el mecanizado, se deben mantener las manos alejadas de la
herramienta que gira o se mueve.
Aún paradas las fresas son herramientas cortantes. Al soltar o amarrar
piezas se deben tomar precauciones contra los cortes que pueden
producirse en manos y brazos.
Los interruptores y demás mandos de puesta en marcha de las
maquinas, se deben asegurar para que no sean accionados
involuntariamente; las arrancadas involuntarias han producido muchos
accidentes.
La operación de las máquinas:
Todas las operaciones de comprobación, ajuste, etc. deben realizarse
con la máquina parada, especialmente las siguientes:
Alejarse o abandonar el puesto de trabajo
Sujetar la pieza trabajar
Medir o calibrar.
Comprobar el acabado.
Limpiar y engrasar
Ajusta protecciones o realizar reparaciones.
Dirigir el chorro de líquido refrigerante.
Conclusión
La termodinámica aporta fundamentos científicos básicos, estudia,
interpreta y explica las interacciones energéticas que surgen entre los
sistemas materiales formulando leyes que rigen dichas interacciones.
Mientras que el proceso de corte es una interacción controlada entre la
pieza de trabajo, la herramienta y la máquina; dicha interacción está incluida
por los fluidos de corte, por la sujeción de la herramienta, de la pieza y por la
rigidez de la máquina.
Esto indica la importancia de las variables de corte, calor, energía y
temperatura que deben ser utilizadas en la elaboración de distintas piezas y
distintos materiales, apoyándose en las tablas físicas y químicas que
permiten saber cuáles son las adecuadas para cada material.
Todo esto bajo la dirección de seguridad industrial que se ocupa de dar
los lineamientos generales para el manejo de riesgos que están vinculados a
accidentes dentro del área manufacturera.
Bibliografía
Ing. Montes de Oca Morán; Ricardo, Ing. Pérez López; Isaac, “Manual de
Prácticas la asignatura MANUFACTURA INDUSTRIAL II”, Editorial:
UPIICSA-IPN, Enero del 2002.
Web-grafía
http:/wwwmonografías.com/trabajos12/ingdemet.shtml
http:/wwwmonografías.com/trabajos12/medtrab/medtrab.shtml
http:/wwwmonografías.com/trabajos11/primdep/primdep.shtml
http:/wwwmonografías.com/trabajos11/invmerc/invmerc.shtml